TW201407951A - 一種離線電壓調節器及其電壓轉換方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種離線電壓調節器及相應電路和電壓轉換方法。離線電壓調節器包括：整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；BJT裝置，具有第一端、第二端和基極端，其中第一端耦接整流後線電壓；選擇驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接整流後線電壓，輸出端耦接BJT裝置的基極端，選擇驅動電路至少基於整流後線電壓選擇性地導通BJT裝置；以及電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接BJT裝置的第二端，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。該離線電壓調節器消除了電感和大電容的需要，消除了高頻電磁干擾雜訊，同時具有控制簡單等優點。
Description
本發明涉及電源供電系統，具體涉及離線電壓調節器。
本發明申請要求申請案號為13/572,564，申請日為2012年8月10日的美國專利申請的優先權。
在許多應用場合需要從交流的線電壓獲取直流電源。通常需要的直流電壓比線電壓低。例如在家電領域，經常需要把頻率為50赫茲、電壓輻值為220伏特的交流線電壓轉換成輸出電壓為5伏特、輸出電流為30毫安培左右的直流電源用於為家電內置的微處理系統供電。開關式電壓變換器，如第1圖所示的高位降壓（buck）變換器經常用於將線電壓轉換成需要的直流電源。為了在輸出節點OUT獲得需要的低壓直流電源，需要用到電感Li和高壓電容C1和C2等元件，但這些元件具有體積大和成本高等缺點。同時，開關M的高頻開關動作會帶來較大的電磁干擾雜訊。
因此，需要採取改進的方法來克服上述的至少部分缺點。
在許多應用場合需要從交流的線電壓獲取直流電源。通常需要的直流電壓比線電壓低。例如在家電領域，經常需要把頻率為50赫茲、電壓輻值為220伏特的交流線電壓轉換成輸出電壓為5伏特、輸出電流為30毫安培左右的直流電源用於為家電內置的微處理系統供電。開關式電壓變換器，如第1圖所示的高位降壓（buck）變換器經常用於將線電壓轉換成需要的直流電源。為了在輸出節點OUT獲得需要的低壓直流電源，需要用到電感Li和高壓電容C1和C2等元件，但這些元件具有體積大和成本高等缺點。同時，開關M的高頻開關動作會帶來較大的電磁干擾雜訊。
因此，需要採取改進的方法來克服上述的至少部分缺點。
為了解決前面描述的一個問題或者多個問題，本發明提出一種離線電壓調節器及相應電路和電壓轉換方法。
根據本發明的一個方面，一種離線電壓調節器包括：整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；過流裝置，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接整流後線電壓；比較電路，將整流後線電壓和閾值電壓進行比較並輸出比較信號；驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接過流裝置的控制端；第一電容，具有第一端和第二端，其中第一電容的第一端耦接過流裝置的第二端並提供中間電壓，第一電容的第二端耦接參考地；第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；以及電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接中間電壓，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。在一個實施例中，離線電壓調節器，進一步包括：第一開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接第一電容的第一端，其中第一開關在比較信號為第一狀態時導通，第一開關在比較信號為第二狀態時關斷；以及第二開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接參考地，第二開關在比較信號為第二狀態時導通，第二開關在比較信號為第一狀態時關斷。在一個實施例中，過流裝置包括雙極結晶體管（BJT）。在一個實施例中，電壓變換器包括低壓差線性電壓變換器，低壓差線性電壓變換器包括電晶體、輸出電容和驅動控制電路，其中：電晶體具有第一端、第二端和柵極端，其中電晶體的第一端耦接中間電壓，電晶體的第二端耦接輸出電容用於提供輸出電壓；以及驅動控制電路包括電壓檢測電路和放大電路，其中電壓檢測電路用於產生輸出電壓的檢測信號，放大電路具有耦接檢測信號的反相輸入端、耦接第四閾值電壓的同相輸入端和耦接電晶體柵極端的輸出端。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括：欠壓保護（UVLO）比較電路用於將中間電壓與第二閾值電壓比較並產生UVLO信號；以及啟動開關，具有第一端、第二端和控制端，其中啟動開關的第一端耦接整流後線電壓，啟動開關的第二端耦接中間電壓，啟動開關的控制端耦接UVLO信號。在一個實施例中，當中間電壓低於第二閾值電壓時，第一電容被過流裝置充電。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括：過壓保護比較電路，具有同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中反相輸入端耦接中間電壓，同相輸入端耦接第三閾值電壓；以及及閘，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中及閘的第一輸入端耦接比較信號，及閘的第二輸入端耦接過壓保護比較電路的輸出端，及閘的輸出端耦接驅動電路的輸入端。
根據本發明的另一個方面，一種離線電壓調節器包括：整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；BJT裝置，具有第一端、第二端和基極端，其中第一端耦接整流後線電壓；選擇驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接整流後線電壓，輸出端耦接BJT裝置的基極端，選擇驅動電路至少基於整流後線電壓選擇性地導通BJT裝置；以及電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接BJT裝置的第二端，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。在一個實施例中，BJT裝置包括NPN電晶體，其中BJT裝置的第一端為集電極，BJT裝置的第二端為射電極。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括耦接在BJT裝置第二端和參考地之間的第一電容，其中選擇驅動電路進一步包括：比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端耦接整流後線電壓，比較電路的第二輸入端耦接閾值電壓；驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接BJT裝置的基極端；以及第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；其中當BJT裝置關斷時，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，選擇驅動電路進一步包括：第一開關，耦接在驅動電路的第二電源端和BJT裝置的第二端之間；以及第二開關，耦接在驅動電路的第二電源端和參考地之間；其中當BJT裝置導通時，第一電容被充電，第一開關導通，第二開關關斷；以及當BJT裝置關斷時，第一開關關斷，第二開關導通，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，選擇驅動電路進一步包括反閘，反閘具有輸入端和輸出端，其中反閘的輸入端耦接比較電路的輸出端，反閘的輸出端耦接第二開關的控制端；以及比較電路的輸出端進一步耦接第一開關的控制端。
根據本發明的又一個方面，一種電路包括比較電路和驅動電路，電路具有電源輸入端、輸出驅動端、中間電壓端、第一自舉端和第二自舉端，其中：電源輸入端耦接整流後線電壓和過流裝置的第一端；輸出驅動端耦接過流裝置的控制端；中間電壓端耦接過流裝置的第二端和第一電容，中間電壓端用於提供中間電壓；第一自舉端耦接第二電容的第一端；第二自舉端耦接第二電容的第二端；比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接電源輸入端，第二輸入端耦接閾值電壓，輸出端提供比較信號；驅動電路具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接輸出驅動端，第一電源端耦接第一自舉端，第二電源端耦接第二自舉端；其中當比較信號為第一狀態時，過流裝置導通，第一電容充電，第二電容放電；以及當比較信號為不同於第一狀態的第二狀態時，過流裝置關斷，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，電路進一步包括：第一開關，耦接在第二自舉端和中間電壓端之間，第一開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第一狀態時，第一開關導通，當比較信號為第二狀態時，第一開關關斷；以及第二開關，耦接在第二自舉端和參考地之間，第二開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第二狀態時，第二開關導通，當比較信號為第一狀態時，第二開關關斷。
根據本發明的再一個方面，一種將交流電壓轉換成直流電壓的方法包括：將交流電壓整流獲得整流後線電壓；將過流裝置耦接到整流後線電壓，在整流後線電壓小於一閾值電壓時導通過流裝置，由過流裝置對第一電容充電；通過第一電容向電壓變換器提供電源；以及電壓變換器為負載提供電源。在一個實施例中，方法進一步包括將第二電容耦接在驅動電路的第一電源端和第二電源端之間，其中當整流後線電壓高於閾值電壓時，第一電容為第二電容充電；當整流後線電壓低於閾值電壓時，第二電容放電且第二電容兩端電壓被升高。
根據本發明的實施例所提供的離線電壓調節器及相應電路和將線電壓轉換成直流低電壓的方法，在將高電壓轉換成低電壓後再為電壓變換器提供輸入電壓，消除了電感和大電容的需要，消除了高頻電磁干擾雜訊，同時具有控制簡單等優點。
根據本發明的一個方面，一種離線電壓調節器包括：整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；過流裝置，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接整流後線電壓；比較電路，將整流後線電壓和閾值電壓進行比較並輸出比較信號；驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接過流裝置的控制端；第一電容，具有第一端和第二端，其中第一電容的第一端耦接過流裝置的第二端並提供中間電壓，第一電容的第二端耦接參考地；第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；以及電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接中間電壓，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。在一個實施例中，離線電壓調節器，進一步包括：第一開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接第一電容的第一端，其中第一開關在比較信號為第一狀態時導通，第一開關在比較信號為第二狀態時關斷；以及第二開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接參考地，第二開關在比較信號為第二狀態時導通，第二開關在比較信號為第一狀態時關斷。在一個實施例中，過流裝置包括雙極結晶體管（BJT）。在一個實施例中，電壓變換器包括低壓差線性電壓變換器，低壓差線性電壓變換器包括電晶體、輸出電容和驅動控制電路，其中：電晶體具有第一端、第二端和柵極端，其中電晶體的第一端耦接中間電壓，電晶體的第二端耦接輸出電容用於提供輸出電壓；以及驅動控制電路包括電壓檢測電路和放大電路，其中電壓檢測電路用於產生輸出電壓的檢測信號，放大電路具有耦接檢測信號的反相輸入端、耦接第四閾值電壓的同相輸入端和耦接電晶體柵極端的輸出端。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括：欠壓保護（UVLO）比較電路用於將中間電壓與第二閾值電壓比較並產生UVLO信號；以及啟動開關，具有第一端、第二端和控制端，其中啟動開關的第一端耦接整流後線電壓，啟動開關的第二端耦接中間電壓，啟動開關的控制端耦接UVLO信號。在一個實施例中，當中間電壓低於第二閾值電壓時，第一電容被過流裝置充電。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括：過壓保護比較電路，具有同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中反相輸入端耦接中間電壓，同相輸入端耦接第三閾值電壓；以及及閘，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中及閘的第一輸入端耦接比較信號，及閘的第二輸入端耦接過壓保護比較電路的輸出端，及閘的輸出端耦接驅動電路的輸入端。
根據本發明的另一個方面，一種離線電壓調節器包括：整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；BJT裝置，具有第一端、第二端和基極端，其中第一端耦接整流後線電壓；選擇驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接整流後線電壓，輸出端耦接BJT裝置的基極端，選擇驅動電路至少基於整流後線電壓選擇性地導通BJT裝置；以及電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接BJT裝置的第二端，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。在一個實施例中，BJT裝置包括NPN電晶體，其中BJT裝置的第一端為集電極，BJT裝置的第二端為射電極。在一個實施例中，離線電壓調節器進一步包括耦接在BJT裝置第二端和參考地之間的第一電容，其中選擇驅動電路進一步包括：比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端耦接整流後線電壓，比較電路的第二輸入端耦接閾值電壓；驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接BJT裝置的基極端；以及第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；其中當BJT裝置關斷時，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，選擇驅動電路進一步包括：第一開關，耦接在驅動電路的第二電源端和BJT裝置的第二端之間；以及第二開關，耦接在驅動電路的第二電源端和參考地之間；其中當BJT裝置導通時，第一電容被充電，第一開關導通，第二開關關斷；以及當BJT裝置關斷時，第一開關關斷，第二開關導通，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，選擇驅動電路進一步包括反閘，反閘具有輸入端和輸出端，其中反閘的輸入端耦接比較電路的輸出端，反閘的輸出端耦接第二開關的控制端；以及比較電路的輸出端進一步耦接第一開關的控制端。
根據本發明的又一個方面，一種電路包括比較電路和驅動電路，電路具有電源輸入端、輸出驅動端、中間電壓端、第一自舉端和第二自舉端，其中：電源輸入端耦接整流後線電壓和過流裝置的第一端；輸出驅動端耦接過流裝置的控制端；中間電壓端耦接過流裝置的第二端和第一電容，中間電壓端用於提供中間電壓；第一自舉端耦接第二電容的第一端；第二自舉端耦接第二電容的第二端；比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接電源輸入端，第二輸入端耦接閾值電壓，輸出端提供比較信號；驅動電路具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接輸出驅動端，第一電源端耦接第一自舉端，第二電源端耦接第二自舉端；其中當比較信號為第一狀態時，過流裝置導通，第一電容充電，第二電容放電；以及當比較信號為不同於第一狀態的第二狀態時，過流裝置關斷，第一電容為第二電容充電。在一個實施例中，電路進一步包括：第一開關，耦接在第二自舉端和中間電壓端之間，第一開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第一狀態時，第一開關導通，當比較信號為第二狀態時，第一開關關斷；以及第二開關，耦接在第二自舉端和參考地之間，第二開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第二狀態時，第二開關導通，當比較信號為第一狀態時，第二開關關斷。
根據本發明的再一個方面，一種將交流電壓轉換成直流電壓的方法包括：將交流電壓整流獲得整流後線電壓；將過流裝置耦接到整流後線電壓，在整流後線電壓小於一閾值電壓時導通過流裝置，由過流裝置對第一電容充電；通過第一電容向電壓變換器提供電源；以及電壓變換器為負載提供電源。在一個實施例中，方法進一步包括將第二電容耦接在驅動電路的第一電源端和第二電源端之間，其中當整流後線電壓高於閾值電壓時，第一電容為第二電容充電；當整流後線電壓低於閾值電壓時，第二電容放電且第二電容兩端電壓被升高。
根據本發明的實施例所提供的離線電壓調節器及相應電路和將線電壓轉換成直流低電壓的方法，在將高電壓轉換成低電壓後再為電壓變換器提供輸入電壓，消除了電感和大電容的需要，消除了高頻電磁干擾雜訊，同時具有控制簡單等優點。
20．．．交流線電壓
21．．．整流電路
22、634．．．驅動電路
23．．．過流裝置
24．．．低壓差線性電壓變換器
30．．．離線調節器積體電路
34．．．驅動控制電路
56．．．控制電路
200、300、500、600．．．離線電壓調節器示意圖
221、241、321、3232．．．輸入端
231、232、322、533、542、543、551、552、571、572．．．端
233、541．．．控制端
212、222、242、VO．．．輸出端
323、652．．．比較電路
324．．．內部耦接驅動電路
341．．．放大電路
623．．．閘
624．．．電位變換電路
632．．．死區時間控制模組
641．．．電流鏡像電路
642．．．過流比較電路
643．．．過壓比較電路
631、644．．．或閘
633．．．輸出端耦接反閘
635．．．輸出端耦接驅動電路
651．．．過壓保護比較電路
3231．．．反相輸入端
3241、3242、3243、3244．．．電源端
BST、BST-P、BST-N．．．自舉端
C．．．高壓電容
Cbs．．．外部耦接電容
Cm．．．電容
Co．．．輸出電容
CP．．．耦接比較信號
D．．．二極體
DR．．．輸出驅動端
GND．．．耦接參考地
IN．．．電源輸入端
Li．．．電感
M．．．電晶體
M2．．．啟動開關
OUT．．．輸出節點
R．．．電阻
S．．．開關
t．．．時間
T．．．時間段
TSD．．．過溫關斷信號
UVLO．．欠壓保護
VB．．．中間電壓端
Vfb．．．輸出電壓檢測信號
Vin．．．整流後線電壓
Vm．．．中間電壓
Von、Vth．．．耦接閥值電壓
為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明的實施例進行描述。通常，附圖僅示出了實施例中系統或電路的一部分。
第1圖示出了現有技術的一種離線電壓調節器；
第2圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器框圖；
第3圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器的示意圖；
第4圖示出了根據本發明一實施例的波形圖，用於描述第3圖中離線電壓調節器的功能；
第5圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器500的示意圖；
第6圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器600的示意圖；以及
第7圖示出了根據本發明一實施例的將交流電轉換成直流電的方法示意圖。
貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同或相似的部件或特徵。
第1圖示出了現有技術的一種離線電壓調節器；
第2圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器框圖；
第3圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器的示意圖；
第4圖示出了根據本發明一實施例的波形圖，用於描述第3圖中離線電壓調節器的功能；
第5圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器500的示意圖；
第6圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器600的示意圖；以及
第7圖示出了根據本發明一實施例的將交流電轉換成直流電的方法示意圖。
貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同或相似的部件或特徵。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在下面對本發明的詳細描述中，為了更好地理解本發明，描述了大量的細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。為了清晰明瞭地闡述本發明，本文簡化了一些具體結構和功能的詳細描述。此外，在一些實施例中已經詳細描述過的類似的結構和功能，在其他實施例中不再贅述。儘管本發明的各項術語是結合具體的示範實施例來一一描述的，但這些術語不應理解為侷限於這裏闡述的示範實施方式。
術語“離線電壓調節器”可指將交流電壓轉換成直流輸出電壓的電壓變換器系統。“離線電壓調節器”也可指為了將交流電壓轉換成直流輸出電壓的電壓變換器系統中的一部分，例如“離線調節器”可指用於將交流電壓轉換成直流輸出電壓的控制器，也可指包括電壓變換器系統中部分元件的積體電路。
第2圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器200框圖。離線電壓調節器200包括整流電路21、過流裝置23、選擇驅動電路22和電壓變換器24。整流電路21將交流線電壓20進行整流，並在整流電路21的輸出端212輸出整流後線電壓Vin。交流線電壓20可為幅值為220伏特或110伏特的正弦波市電電壓。過流裝置23具有第一端231，第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。過流裝置23在控制端233上信號的控制下選擇性的進行導通和關斷。當過流裝置23導通時，電流從第一端231流向第二端232。在第2圖所示的實施例中，過流裝置23包括NPN雙極結晶體管（BJT）。其中控制端233為基極，第一端231為集電極，第二端232為射電極。在另一個實施例中，過流裝置23包括PNP BJT，其中第一端為射電極，第二端為集電極。選擇驅動電路22接收輸出端212的整流後線電壓Vin，並根據整流後線電壓Vin驅動過流裝置，例如當整流後線電壓Vin低於閾值電壓時導通過流裝置23。相應地，選擇驅動電路22具有輸入端221和輸出端222，其中輸入端221接收整流後線電壓Vin，輸出端222耦接過流裝置23的控制端233。電壓變換器24具有輸入端241和輸出端242，其中輸入端241耦接過流裝置23的第二端232，輸出端242在輸出節點OUT提供直流輸出電壓。在一個實施例中，電壓變換器24包括低壓差線性電壓變換器。在另一些實施例中，電壓變換器24可包括另外形式的電壓變化器，如buck電壓變換器，升壓電壓變換器（boost），或者降壓-升壓電壓變換器（buck-boost）。在BJT裝置23的導通和關斷動作下，BJT裝置23的輸出端232提供中間電壓Vm，為電壓變換器24提供輸入電壓。中間電壓Vm低於整流後線電壓Vin，保證了電壓變換器24的輸入電壓較低，以適應低壓應用領域。
第3圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器300的示意圖。離線電壓調節器300包括整流電路21、過流裝置23、選擇驅動電路22和電壓變換器24。整流電路21將交流線電壓20整流並輸出整流後線電壓Vin。在第3圖所示的實施例中，整流電路21包括全橋整流電路。全橋整流電路21包括二極體D1、D2、D3和D4。其中二極體D1的陽極和二極體D3的陰極耦接交流線電壓20的一端。二極體D2的陽極和二極體D4的陰極耦接交流線電壓20的另一端。二極體D3和D4的陽極耦接參考地，二極體D1和D2的陰極耦接整流電路的輸出端用於提供整流後線電壓Vin。
繼續第3圖的說明，過流裝置23具有第一端231、第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。過流裝置23在控制端233受驅動信號控制，並根據驅動信號選擇性地導通和關斷。當過流裝置23導通時，電流從第一端231流向第二端232。在第3圖所示的實施例中，過流裝置23包括NPN雙極結晶體管（BJT）。在另一個實施例中，過流裝置23包括場效應電晶體如金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。在又一個實施例中，過流裝置23包括絕緣柵雙極電晶體（IGBT）。BJT過流裝置23比MOSFET裝置具有更大的過流能力，且價格比MOSFET和IGBT裝置更便宜，為優選的過流裝置。過流裝置23的第二端232耦接第一電容Cm和電壓變換器24。電容Cm用於為輸出端232的中間電壓Vm進行穩壓，從而為電壓變換器24提供穩定的中間電壓Vm作為電壓變換器24的輸入電壓。
繼續第3圖的說明，選擇驅動電路22接收整流後線電壓Vin，根據整流後線電壓Vin驅動過流裝置23，例如，當整流後線電壓Vin低於一閾值電壓時導通過流裝置23。相應地，選擇驅動電路22具有耦接整流後線電壓Vin的輸入端321和耦接過流裝置23控制端233的第二端322。選擇驅動電路22包括比較電路323、驅動電路324和第二電容Cbs。比較電路323將整流後線電壓Vin和閾值電壓進行比較。比較電路323具有耦接整流後線電壓檢測信號的反相輸入端3231、耦接閾值電壓Von的同相輸入端以及提供比較信號CP的輸出端3232。在第3圖所示的實施例中，整流後線電壓檢測信號正比於整流後線電壓Vin。在另一些實施例中，整流後線電壓檢測信號可通過其他的檢測電路獲得，且比較電路323的反相輸入端3231耦接檢測電路，或者直接接收整流後線電壓Vin。驅動電路324具有輸入端3241、輸出端3242、第一電源端3243和第二電源端3244。其中輸入端3241耦接比較電路323的輸出端3232。驅動電路324的輸出端3242耦接過流裝置23的控制端233，或在所示的實施例中耦接BJT裝置23的基極233。第一電源端3243耦接電容Cbs的第一端，第二電源端3244耦接電容Cbs的第二端。電容Cbs通過第一電源端3243和第二電源端3244用於為驅動電路324提供使過流裝置23導通的偏置電壓。當比較信號CP為高電平時，電容Cbs兩端的電壓升高，這時，電容Cbs向驅動電路324放電。當比較信號CP為低電平時，過流裝置23關斷，電容Cbs被電容Cm充電。
繼續第3圖的說明，電壓變換器24具有耦接過流裝置23第二端232的輸入端241。電壓變換器24的輸出端242在輸出節點OUT提供直流輸出電壓。第3圖中的電壓變換器24包括低壓差線性電壓變換器。低壓差線性電壓變換器24包括電晶體M，輸出電容Co和驅動控制電路34。電晶體M 具有第一端、第二端和柵極端，其中電晶體M的第一端耦接過流裝置23的第二端232，電晶體M的第二端耦接輸出電容Co並提供輸出電壓，電晶體M的柵極端耦接驅動控制電路34。通過控制柵極端的電壓，電晶體M的漏源導通電阻可被調製，低壓差線性電壓變換器24在輸出節點OUT提供一低壓差的輸出電壓。在所示的實施例中，驅動控制電路34包括電壓檢測電路和放大電路341，電壓檢測電路用於檢測輸出節點OUT處的輸出電壓並提供輸出電壓檢測信號Vfb。電壓檢測電路為包括電阻R1和R2的電阻分壓電路。放大電路341具有耦接電壓檢測電路的反相端、耦接閾值電壓Vth的同相端，以及耦接電晶體M柵極端的輸出端。放大電路341將電阻R1和R2之間採集的檢測信號Vfb與閾值電壓Vth之間的差值放大。相應地，輸出節點OUT處的輸出電壓被調節到電壓值：Vth*(R1+R2)/R2。在另一個實施例中，電壓檢測電路可具有其他的形式。
在一個實施例中，離線調節器300包括製作在半導體基底上的離線調節器積體電路30。在一個實施例中，積體電路30也可稱為離線調節器。積體電路30內部包括比較電路323、驅動電路324、電晶體M和用於驅動電晶體M的驅動控制電路34。積體電路30外部具有電源輸入端IN，輸出驅動端DR，中間電壓端VB，第一自舉端BST1和第二自舉端BST2。電源輸入端IN內部耦接比較電路323的第一端3231，外部耦接整流後線電壓Vin和過流裝置23的第一端231。輸出驅動端DR內部耦接驅動電路324的輸出端3242，外部耦接過流裝置23的控制端233。中間電壓端VB內部耦接低壓差線性電壓變換器24中電晶體M的第一端，外部耦接過流裝置23的第二端232和電容Cm的第一端。電容Cm的另一端耦接參考地GND。第一自舉端BST1內部耦接驅動電路324的第一電源端3243，外部耦接電容Cbs的第一端。第二自舉端BST2內部耦接驅動電路324的第二電源端3244，外部耦接電容Cbs的第二端。積體電路30進一步具有輸出端VO，輸出端VO內部耦接低壓差線性調節器24的電晶體M的第二端，外部耦接輸出電容Co用於為負載提供輸出電壓。積體電路30可進一步具有參考地端GND。參考地端GND內部耦接多個節點，如耦接由R3和R4組成的電阻分壓器，或耦接由R1和R2組成的電阻分壓器等，外部耦接參考地GND。當過流裝置23關斷時，電容Cm對電容Cbs充電。
第4圖示出了根據本發明一實施例的波形圖，用於描述第3圖中離線電壓調節器的功能。第一個波形表示整流後線電壓Vin。第二個波形表示流過BJT過流裝置23的電流Iin。第三個波形表示BJT裝置23第二端上的中間電壓Vm。整流後線電壓Vin為正弦波信號的整流信號。整流後線電壓Vin通過比較電路323與閾值電壓Von2進行比較，其中閾值電壓Von2=Von*(R3+R4)/R4。在時間t1後，整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2，比較電路323輸出低電平的信號，驅動電路324的輸出端3242電壓被拉低，驅動電壓324將過流裝置23關斷。在時間t2後，電壓Vin低於閾值電壓Von2，比較電路323輸出高電平的信號，驅動電路324將過流裝置23導通。相應地，電流從BJT裝置23的第一端231流向第二端232，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。此時電容Cm被充電，中間電壓Vm升壓。中間電壓Vm的上升斜率受電容Cm的容值影響。當電容Cm為理想電容時，電壓Vm為一固定值。在時間t3後，雖然驅動電路323的輸出端3242被拉高，但整流後線電壓Vin低於中間電壓Vm，電流Iin為零。在時間t4，電壓Vin再次上升至高於電壓Vm，電流流過BJT裝置23，直到時間t5，當電壓Vin再次高於閾值電壓Von2時，BJT裝置23關斷。在第一時間段T1期間，整流後線電壓Vin低於閾值電壓Von2，比較信號CP為高邏輯電平，驅動電路324將過流裝置23導通，同時電容Cbs放電用於通過第一電源端3243和第二電源端3244為驅動電路324供電。在第二時間段T2期間，整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2，比較信號CP為低邏輯電平，驅動電路324關斷過流裝置，電容Cm為電容Cbs充電。由於中間電壓Vm可設置為遠小於線電壓有效值，第一電容Cm、第二電容Cbs和輸出電容Co需要的電容容值較低。
第5圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器500的示意圖。針對第2圖中離線電壓調節器200和第3圖中離線電壓調節器300的描述可能也同樣適用於離線電壓調節器500。與第2圖中離線電壓調節器200和第3圖中離線電壓調節器300相比，離線電壓調節器500進一步包括第一開關S1、第二開關S2和二極體D。第一開關S1具有控制端531、第一端532和第二端533。其中控制端531通過控制電路56耦接比較電路323用於接收比較信號CP。第一端532耦接第二電容Cbs的第二端572。第二端533耦接第一電容Cm的第一端551。這樣，第一開關S1耦接在第二自舉端BST2和中間電壓端VB之間，也耦接在驅動電路324的第二電源端3242和過流裝置23的第二端232.。第二開關S2具有控制端541、第一端542和第二端543。其中控制端541通過控制電路56耦接比較電路323，第一端542耦接參考地GND，第二端543耦接電容Cbs的第二端572。相應地，第二開關S2耦接在第二自舉端BST2和參考地GND之間，也耦接在驅動電路324的第二電源端3242和過流裝置23的第二端232之間。二極體D的陽極耦接過流裝置23的第二端232，陰極耦接電容Cbs的第一端571。相應地，二極體D耦接在第一自舉端BST1和中間電壓端VB之間。控制電路56根據比較電路323的輸出信號CP控制第一開關S1和第二開關S2。
繼續第5圖的說明，當整流後線電壓Vin低於閾值電壓Von2時，比較電路323的輸出信號為邏輯高電平，參看第4圖的T1期間。在該期間內，開關S1導通，開關S2關斷；電容Cbs的第二端572耦接中間電壓端VB和電容Cm的第一端551；二極體D反向偏置形成電流斷路；電容Cbs為驅動電路324提供能量，同時電容Cbs放電。此時驅動電路324的第二電源端3242拉高至中間電壓Vm，驅動電路324的第一電源端3241拉高至電壓Vm+Vbs，其中電壓Vm為中間電壓端VB上的電壓，電壓Vbs為電容Cbs兩端的壓差。因此，在T1期間，驅動電路324偏置在電壓Vm與電壓Vm+Vbs之間，高於中間電壓Vm，驅動電路324具有驅動BJT過流裝置23的能力。在一個實施例中，在T1期間，驅動電路324的輸出電壓約等於Vm+Vbs，過流裝置23導通可用於為電容Cm充電。
繼續第5圖的說明，當整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2時，比較電路323的輸出為邏輯低電平，參看第4圖中的T2期間。此時，開關S1關斷，開關S2導通。電容Cbs的第二端572耦接參考地GND和電容Cm的第二端552。二極體D正向偏置導通，電容Cbs的第一端571耦接電容Cm的第一端551。相應地，第一電容Cm為第二電容Cbs充電，電流從電容Cm的第一端551流向電容Cbs的第一端571。因此，驅動電路324被偏置在地電位和電壓Vbs之間，這樣BJT裝置23的基極電壓低於中間電壓端VB上的發射極電壓，BJT裝置23關斷。在一個實施例中，此時驅動電路324的輸出端電壓近似等於地電位。
第6圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器600示意圖。離線電壓調節器600可被集成在一矽片上。離線電壓調節器600具有電源輸入端IN、輸出驅動端DR、中間電壓端VB、第一自舉端BST-P、第二自舉端BST-N和參考電壓端GND。上述每個端可包括一引腳、多個引腳、導電盤或多個導電盤。除了如第3圖和第5圖所示的比較電路323、電晶體M、驅動電路324、驅動控制電路34、控制開關S1和S2的控制電路56、開關S1和開關S2外，離線電壓調節器600進一步包括欠壓保護（UVLO）比較電路652，過壓保護比較電路651，用於啟動控制的啟動開關M2，以及用於控制驅動電路324和及閘623中邏輯信號電平的電位變換電路624。UVLO比較電路652具有耦接中間電壓端VB的反相輸入端，耦接UVLO閾值電壓Vth2的同相端以及耦接控制電路56與開關M2柵極的輸出端。UVLO比較電路652將中間電壓Vm與閾值電壓Vth2相比較並產生UVLO信號。在所示的實施例中，UVLO比較電路652為滯環比較電路。過壓保護比較電路651具有耦接中間電壓端VB的反相輸入端、耦接過壓閾值電壓Vth3的同相輸入端以及耦接及閘623其中一個輸入端的輸出端。開關M2耦接在電源輸入端IN和中間電壓端VB之間，並受UVLO比較電路652的輸出信號控制。換句話說，啟動開關M2的第一端耦接整流後線電壓Vin，啟動開關M2的第二端耦接電容Cm的第二端，啟動開關M2根據UVLO信號選擇性的導通。控制電路56包括或閘631、死區時間控制模組632、反閘633和兩個驅動電路634和635。或閘631一端耦接及閘623的輸出端，另一端耦接UVLO比較電路652的輸出端，或閘631的輸出端耦接死區時間控制模組632。死區時間控制模組632用於防止開關S1和S2同時導通。死區時間控制模組632的輸出端耦接反閘633和驅動電路634。反閘633的輸出端耦接驅動電路635。驅動電路634驅動開關S1，驅動電路635驅動開關S2。及閘623的第一輸入端耦接比較信號CP，第二輸入端耦接過壓比較電路651的輸出端，及閘623的輸出端通過電位變換電路624耦接驅動電路324。驅動電晶體M的驅動控制電路34進一步包括電流鏡像電路641、過流比較電路642、過壓比較電路643和或閘644。或閘644的多個輸入端耦接比較電路642的輸出端，比較電路643的輸出端，比較電路652的輸出端以及一個過溫關斷信號TSD。或閘644也可進一步接收代表其他非正常情況的信號。當或閘644多個輸入端上的任意一個信號為邏輯高時，比較電路341被抑制，線性電壓變換器的開關M被關斷。
離線電壓調節器600的功能將結合第3圖、第4圖和第5圖進行闡述。在離線電壓調節器600的啟動階段，中間電壓端VB上的中間電壓低於第一閾值電壓Vth2-Vth21，其中電壓Vth21為滯環比較電路542的滯後值，比較電路652輸出邏輯高電平的UVLO信號，此時開關M2導通，電流從電源輸入端IN流向中間電壓端VB並給電容Cm充電，如第3圖所示，中間電壓端VB上的電壓上升。同時，或閘631為邏輯高，開關S1導通，開關S2關斷。驅動電路324被偏置在中間電壓Vm和電壓Vm+Vbs之間。當整流後線電壓Vin低於閾值電壓如電壓Von2時，過流裝置23導通用於為電容Cm充電。同時，電晶體M被低電位的信號UVLO信號關斷。
當中間電壓端VB上的電壓高於閾值電壓Vth3時，比較電路651輸出點低電平邏輯信號，及閘623的輸出信號也為邏輯低電平。其中閾值Vth3高於閾值Vth2。驅動電路324關斷BJT過流裝置23，停止對電容Cm進行充電。同時，開關S1關斷，開關S2導通，電容Cm放電並對電容Cbs進行充電。
當中間電壓端VB上的電壓高於第二個閾值電壓Vth2+Vth21且低於第三閾值電壓Vth3時，信號UVLO為邏輯低電平，比較電路651輸出端信號都為邏輯高電平，離線電壓調節器600工作於正常狀態。開關M2關斷，線性調節器中的電晶體M正常工作。在正常狀態下，反閘633的輸入端耦接比較電路323的輸出端，反閘的輸出端耦接開關S2的控制端。比較電路323的輸出端同時耦接開關S1的控制端。相應地，當比較電路323的輸出為邏輯高時，開關S1導通，開關S2關斷，過流裝置23導通為電容Cm充電。當比較電路323的輸出為邏輯低時，開關S1關斷，開關S2導通，電容Cm為電容Cbs充電，電容Cm放電。
繼續第6圖的說明，比較電路323可以為滯環比較電路。閾值電壓Von和比較電路323的滯後值決定過流裝置23在整流後線電壓到達哪個電位時導通，從而為電容Cm充電。電容Cm可在較低的整流後線電壓Vin下開始充電，因此，中間電壓Vm可以遠比線電壓的有效值低，使得後續的電壓變換器不需要採用電感和大電容。
第7圖示出了根據本發明一實施例的將交流電轉換成直流電的方法700示意圖。方法700包括在步驟701，將交流線電壓整流，獲得整流後線電壓。在步驟702，方法700包括將過流裝置耦接到整流後線電壓，並選擇當整流後線電壓小於一閾值電壓時導通過流裝置，同時由過流裝置對第一電容充電。選擇整流後線電壓範圍的目的在於選擇當整流後線電壓輻值遠小於一個週期內的整流後線電壓有效值時就開始導通過流裝置，使得中間電壓低於線電壓有效值。在一個實施例中，選擇整流後線電壓範圍通過將整流後線電壓與閾值電壓比較來實現，當整流後線電壓低於該閾值電壓時導通過流裝置。在步驟703，方法700包括通過第一電容向電壓變換器提供電源。即第一電容向電壓變換器提供輸入電壓。在步驟704，方法700包括電壓變換器的輸出為負載提供電源。其中過流裝置由驅動電路驅動。方法700可進一步包括將第二電容耦接在驅動過流裝置的驅動電路的第一電源端和第二電源端之間，其中當整流後線電壓高於閾值電壓時，第一電容為第二電容充電。當整流後線電壓低於閾值電壓時，第二電容兩端電壓被升高。
上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
術語“離線電壓調節器”可指將交流電壓轉換成直流輸出電壓的電壓變換器系統。“離線電壓調節器”也可指為了將交流電壓轉換成直流輸出電壓的電壓變換器系統中的一部分，例如“離線調節器”可指用於將交流電壓轉換成直流輸出電壓的控制器，也可指包括電壓變換器系統中部分元件的積體電路。
第2圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器200框圖。離線電壓調節器200包括整流電路21、過流裝置23、選擇驅動電路22和電壓變換器24。整流電路21將交流線電壓20進行整流，並在整流電路21的輸出端212輸出整流後線電壓Vin。交流線電壓20可為幅值為220伏特或110伏特的正弦波市電電壓。過流裝置23具有第一端231，第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。過流裝置23在控制端233上信號的控制下選擇性的進行導通和關斷。當過流裝置23導通時，電流從第一端231流向第二端232。在第2圖所示的實施例中，過流裝置23包括NPN雙極結晶體管（BJT）。其中控制端233為基極，第一端231為集電極，第二端232為射電極。在另一個實施例中，過流裝置23包括PNP BJT，其中第一端為射電極，第二端為集電極。選擇驅動電路22接收輸出端212的整流後線電壓Vin，並根據整流後線電壓Vin驅動過流裝置，例如當整流後線電壓Vin低於閾值電壓時導通過流裝置23。相應地，選擇驅動電路22具有輸入端221和輸出端222，其中輸入端221接收整流後線電壓Vin，輸出端222耦接過流裝置23的控制端233。電壓變換器24具有輸入端241和輸出端242，其中輸入端241耦接過流裝置23的第二端232，輸出端242在輸出節點OUT提供直流輸出電壓。在一個實施例中，電壓變換器24包括低壓差線性電壓變換器。在另一些實施例中，電壓變換器24可包括另外形式的電壓變化器，如buck電壓變換器，升壓電壓變換器（boost），或者降壓-升壓電壓變換器（buck-boost）。在BJT裝置23的導通和關斷動作下，BJT裝置23的輸出端232提供中間電壓Vm，為電壓變換器24提供輸入電壓。中間電壓Vm低於整流後線電壓Vin，保證了電壓變換器24的輸入電壓較低，以適應低壓應用領域。
第3圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器300的示意圖。離線電壓調節器300包括整流電路21、過流裝置23、選擇驅動電路22和電壓變換器24。整流電路21將交流線電壓20整流並輸出整流後線電壓Vin。在第3圖所示的實施例中，整流電路21包括全橋整流電路。全橋整流電路21包括二極體D1、D2、D3和D4。其中二極體D1的陽極和二極體D3的陰極耦接交流線電壓20的一端。二極體D2的陽極和二極體D4的陰極耦接交流線電壓20的另一端。二極體D3和D4的陽極耦接參考地，二極體D1和D2的陰極耦接整流電路的輸出端用於提供整流後線電壓Vin。
繼續第3圖的說明，過流裝置23具有第一端231、第二端232和控制端233，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。過流裝置23在控制端233受驅動信號控制，並根據驅動信號選擇性地導通和關斷。當過流裝置23導通時，電流從第一端231流向第二端232。在第3圖所示的實施例中，過流裝置23包括NPN雙極結晶體管（BJT）。在另一個實施例中，過流裝置23包括場效應電晶體如金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）。在又一個實施例中，過流裝置23包括絕緣柵雙極電晶體（IGBT）。BJT過流裝置23比MOSFET裝置具有更大的過流能力，且價格比MOSFET和IGBT裝置更便宜，為優選的過流裝置。過流裝置23的第二端232耦接第一電容Cm和電壓變換器24。電容Cm用於為輸出端232的中間電壓Vm進行穩壓，從而為電壓變換器24提供穩定的中間電壓Vm作為電壓變換器24的輸入電壓。
繼續第3圖的說明，選擇驅動電路22接收整流後線電壓Vin，根據整流後線電壓Vin驅動過流裝置23，例如，當整流後線電壓Vin低於一閾值電壓時導通過流裝置23。相應地，選擇驅動電路22具有耦接整流後線電壓Vin的輸入端321和耦接過流裝置23控制端233的第二端322。選擇驅動電路22包括比較電路323、驅動電路324和第二電容Cbs。比較電路323將整流後線電壓Vin和閾值電壓進行比較。比較電路323具有耦接整流後線電壓檢測信號的反相輸入端3231、耦接閾值電壓Von的同相輸入端以及提供比較信號CP的輸出端3232。在第3圖所示的實施例中，整流後線電壓檢測信號正比於整流後線電壓Vin。在另一些實施例中，整流後線電壓檢測信號可通過其他的檢測電路獲得，且比較電路323的反相輸入端3231耦接檢測電路，或者直接接收整流後線電壓Vin。驅動電路324具有輸入端3241、輸出端3242、第一電源端3243和第二電源端3244。其中輸入端3241耦接比較電路323的輸出端3232。驅動電路324的輸出端3242耦接過流裝置23的控制端233，或在所示的實施例中耦接BJT裝置23的基極233。第一電源端3243耦接電容Cbs的第一端，第二電源端3244耦接電容Cbs的第二端。電容Cbs通過第一電源端3243和第二電源端3244用於為驅動電路324提供使過流裝置23導通的偏置電壓。當比較信號CP為高電平時，電容Cbs兩端的電壓升高，這時，電容Cbs向驅動電路324放電。當比較信號CP為低電平時，過流裝置23關斷，電容Cbs被電容Cm充電。
繼續第3圖的說明，電壓變換器24具有耦接過流裝置23第二端232的輸入端241。電壓變換器24的輸出端242在輸出節點OUT提供直流輸出電壓。第3圖中的電壓變換器24包括低壓差線性電壓變換器。低壓差線性電壓變換器24包括電晶體M，輸出電容Co和驅動控制電路34。電晶體M 具有第一端、第二端和柵極端，其中電晶體M的第一端耦接過流裝置23的第二端232，電晶體M的第二端耦接輸出電容Co並提供輸出電壓，電晶體M的柵極端耦接驅動控制電路34。通過控制柵極端的電壓，電晶體M的漏源導通電阻可被調製，低壓差線性電壓變換器24在輸出節點OUT提供一低壓差的輸出電壓。在所示的實施例中，驅動控制電路34包括電壓檢測電路和放大電路341，電壓檢測電路用於檢測輸出節點OUT處的輸出電壓並提供輸出電壓檢測信號Vfb。電壓檢測電路為包括電阻R1和R2的電阻分壓電路。放大電路341具有耦接電壓檢測電路的反相端、耦接閾值電壓Vth的同相端，以及耦接電晶體M柵極端的輸出端。放大電路341將電阻R1和R2之間採集的檢測信號Vfb與閾值電壓Vth之間的差值放大。相應地，輸出節點OUT處的輸出電壓被調節到電壓值：Vth*(R1+R2)/R2。在另一個實施例中，電壓檢測電路可具有其他的形式。
在一個實施例中，離線調節器300包括製作在半導體基底上的離線調節器積體電路30。在一個實施例中，積體電路30也可稱為離線調節器。積體電路30內部包括比較電路323、驅動電路324、電晶體M和用於驅動電晶體M的驅動控制電路34。積體電路30外部具有電源輸入端IN，輸出驅動端DR，中間電壓端VB，第一自舉端BST1和第二自舉端BST2。電源輸入端IN內部耦接比較電路323的第一端3231，外部耦接整流後線電壓Vin和過流裝置23的第一端231。輸出驅動端DR內部耦接驅動電路324的輸出端3242，外部耦接過流裝置23的控制端233。中間電壓端VB內部耦接低壓差線性電壓變換器24中電晶體M的第一端，外部耦接過流裝置23的第二端232和電容Cm的第一端。電容Cm的另一端耦接參考地GND。第一自舉端BST1內部耦接驅動電路324的第一電源端3243，外部耦接電容Cbs的第一端。第二自舉端BST2內部耦接驅動電路324的第二電源端3244，外部耦接電容Cbs的第二端。積體電路30進一步具有輸出端VO，輸出端VO內部耦接低壓差線性調節器24的電晶體M的第二端，外部耦接輸出電容Co用於為負載提供輸出電壓。積體電路30可進一步具有參考地端GND。參考地端GND內部耦接多個節點，如耦接由R3和R4組成的電阻分壓器，或耦接由R1和R2組成的電阻分壓器等，外部耦接參考地GND。當過流裝置23關斷時，電容Cm對電容Cbs充電。
第4圖示出了根據本發明一實施例的波形圖，用於描述第3圖中離線電壓調節器的功能。第一個波形表示整流後線電壓Vin。第二個波形表示流過BJT過流裝置23的電流Iin。第三個波形表示BJT裝置23第二端上的中間電壓Vm。整流後線電壓Vin為正弦波信號的整流信號。整流後線電壓Vin通過比較電路323與閾值電壓Von2進行比較，其中閾值電壓Von2=Von*(R3+R4)/R4。在時間t1後，整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2，比較電路323輸出低電平的信號，驅動電路324的輸出端3242電壓被拉低，驅動電壓324將過流裝置23關斷。在時間t2後，電壓Vin低於閾值電壓Von2，比較電路323輸出高電平的信號，驅動電路324將過流裝置23導通。相應地，電流從BJT裝置23的第一端231流向第二端232，其中第一端231耦接整流後線電壓Vin。此時電容Cm被充電，中間電壓Vm升壓。中間電壓Vm的上升斜率受電容Cm的容值影響。當電容Cm為理想電容時，電壓Vm為一固定值。在時間t3後，雖然驅動電路323的輸出端3242被拉高，但整流後線電壓Vin低於中間電壓Vm，電流Iin為零。在時間t4，電壓Vin再次上升至高於電壓Vm，電流流過BJT裝置23，直到時間t5，當電壓Vin再次高於閾值電壓Von2時，BJT裝置23關斷。在第一時間段T1期間，整流後線電壓Vin低於閾值電壓Von2，比較信號CP為高邏輯電平，驅動電路324將過流裝置23導通，同時電容Cbs放電用於通過第一電源端3243和第二電源端3244為驅動電路324供電。在第二時間段T2期間，整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2，比較信號CP為低邏輯電平，驅動電路324關斷過流裝置，電容Cm為電容Cbs充電。由於中間電壓Vm可設置為遠小於線電壓有效值，第一電容Cm、第二電容Cbs和輸出電容Co需要的電容容值較低。
第5圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器500的示意圖。針對第2圖中離線電壓調節器200和第3圖中離線電壓調節器300的描述可能也同樣適用於離線電壓調節器500。與第2圖中離線電壓調節器200和第3圖中離線電壓調節器300相比，離線電壓調節器500進一步包括第一開關S1、第二開關S2和二極體D。第一開關S1具有控制端531、第一端532和第二端533。其中控制端531通過控制電路56耦接比較電路323用於接收比較信號CP。第一端532耦接第二電容Cbs的第二端572。第二端533耦接第一電容Cm的第一端551。這樣，第一開關S1耦接在第二自舉端BST2和中間電壓端VB之間，也耦接在驅動電路324的第二電源端3242和過流裝置23的第二端232.。第二開關S2具有控制端541、第一端542和第二端543。其中控制端541通過控制電路56耦接比較電路323，第一端542耦接參考地GND，第二端543耦接電容Cbs的第二端572。相應地，第二開關S2耦接在第二自舉端BST2和參考地GND之間，也耦接在驅動電路324的第二電源端3242和過流裝置23的第二端232之間。二極體D的陽極耦接過流裝置23的第二端232，陰極耦接電容Cbs的第一端571。相應地，二極體D耦接在第一自舉端BST1和中間電壓端VB之間。控制電路56根據比較電路323的輸出信號CP控制第一開關S1和第二開關S2。
繼續第5圖的說明，當整流後線電壓Vin低於閾值電壓Von2時，比較電路323的輸出信號為邏輯高電平，參看第4圖的T1期間。在該期間內，開關S1導通，開關S2關斷；電容Cbs的第二端572耦接中間電壓端VB和電容Cm的第一端551；二極體D反向偏置形成電流斷路；電容Cbs為驅動電路324提供能量，同時電容Cbs放電。此時驅動電路324的第二電源端3242拉高至中間電壓Vm，驅動電路324的第一電源端3241拉高至電壓Vm+Vbs，其中電壓Vm為中間電壓端VB上的電壓，電壓Vbs為電容Cbs兩端的壓差。因此，在T1期間，驅動電路324偏置在電壓Vm與電壓Vm+Vbs之間，高於中間電壓Vm，驅動電路324具有驅動BJT過流裝置23的能力。在一個實施例中，在T1期間，驅動電路324的輸出電壓約等於Vm+Vbs，過流裝置23導通可用於為電容Cm充電。
繼續第5圖的說明，當整流後線電壓Vin高於閾值電壓Von2時，比較電路323的輸出為邏輯低電平，參看第4圖中的T2期間。此時，開關S1關斷，開關S2導通。電容Cbs的第二端572耦接參考地GND和電容Cm的第二端552。二極體D正向偏置導通，電容Cbs的第一端571耦接電容Cm的第一端551。相應地，第一電容Cm為第二電容Cbs充電，電流從電容Cm的第一端551流向電容Cbs的第一端571。因此，驅動電路324被偏置在地電位和電壓Vbs之間，這樣BJT裝置23的基極電壓低於中間電壓端VB上的發射極電壓，BJT裝置23關斷。在一個實施例中，此時驅動電路324的輸出端電壓近似等於地電位。
第6圖示出了根據本發明一實施例的離線電壓調節器600示意圖。離線電壓調節器600可被集成在一矽片上。離線電壓調節器600具有電源輸入端IN、輸出驅動端DR、中間電壓端VB、第一自舉端BST-P、第二自舉端BST-N和參考電壓端GND。上述每個端可包括一引腳、多個引腳、導電盤或多個導電盤。除了如第3圖和第5圖所示的比較電路323、電晶體M、驅動電路324、驅動控制電路34、控制開關S1和S2的控制電路56、開關S1和開關S2外，離線電壓調節器600進一步包括欠壓保護（UVLO）比較電路652，過壓保護比較電路651，用於啟動控制的啟動開關M2，以及用於控制驅動電路324和及閘623中邏輯信號電平的電位變換電路624。UVLO比較電路652具有耦接中間電壓端VB的反相輸入端，耦接UVLO閾值電壓Vth2的同相端以及耦接控制電路56與開關M2柵極的輸出端。UVLO比較電路652將中間電壓Vm與閾值電壓Vth2相比較並產生UVLO信號。在所示的實施例中，UVLO比較電路652為滯環比較電路。過壓保護比較電路651具有耦接中間電壓端VB的反相輸入端、耦接過壓閾值電壓Vth3的同相輸入端以及耦接及閘623其中一個輸入端的輸出端。開關M2耦接在電源輸入端IN和中間電壓端VB之間，並受UVLO比較電路652的輸出信號控制。換句話說，啟動開關M2的第一端耦接整流後線電壓Vin，啟動開關M2的第二端耦接電容Cm的第二端，啟動開關M2根據UVLO信號選擇性的導通。控制電路56包括或閘631、死區時間控制模組632、反閘633和兩個驅動電路634和635。或閘631一端耦接及閘623的輸出端，另一端耦接UVLO比較電路652的輸出端，或閘631的輸出端耦接死區時間控制模組632。死區時間控制模組632用於防止開關S1和S2同時導通。死區時間控制模組632的輸出端耦接反閘633和驅動電路634。反閘633的輸出端耦接驅動電路635。驅動電路634驅動開關S1，驅動電路635驅動開關S2。及閘623的第一輸入端耦接比較信號CP，第二輸入端耦接過壓比較電路651的輸出端，及閘623的輸出端通過電位變換電路624耦接驅動電路324。驅動電晶體M的驅動控制電路34進一步包括電流鏡像電路641、過流比較電路642、過壓比較電路643和或閘644。或閘644的多個輸入端耦接比較電路642的輸出端，比較電路643的輸出端，比較電路652的輸出端以及一個過溫關斷信號TSD。或閘644也可進一步接收代表其他非正常情況的信號。當或閘644多個輸入端上的任意一個信號為邏輯高時，比較電路341被抑制，線性電壓變換器的開關M被關斷。
離線電壓調節器600的功能將結合第3圖、第4圖和第5圖進行闡述。在離線電壓調節器600的啟動階段，中間電壓端VB上的中間電壓低於第一閾值電壓Vth2-Vth21，其中電壓Vth21為滯環比較電路542的滯後值，比較電路652輸出邏輯高電平的UVLO信號，此時開關M2導通，電流從電源輸入端IN流向中間電壓端VB並給電容Cm充電，如第3圖所示，中間電壓端VB上的電壓上升。同時，或閘631為邏輯高，開關S1導通，開關S2關斷。驅動電路324被偏置在中間電壓Vm和電壓Vm+Vbs之間。當整流後線電壓Vin低於閾值電壓如電壓Von2時，過流裝置23導通用於為電容Cm充電。同時，電晶體M被低電位的信號UVLO信號關斷。
當中間電壓端VB上的電壓高於閾值電壓Vth3時，比較電路651輸出點低電平邏輯信號，及閘623的輸出信號也為邏輯低電平。其中閾值Vth3高於閾值Vth2。驅動電路324關斷BJT過流裝置23，停止對電容Cm進行充電。同時，開關S1關斷，開關S2導通，電容Cm放電並對電容Cbs進行充電。
當中間電壓端VB上的電壓高於第二個閾值電壓Vth2+Vth21且低於第三閾值電壓Vth3時，信號UVLO為邏輯低電平，比較電路651輸出端信號都為邏輯高電平，離線電壓調節器600工作於正常狀態。開關M2關斷，線性調節器中的電晶體M正常工作。在正常狀態下，反閘633的輸入端耦接比較電路323的輸出端，反閘的輸出端耦接開關S2的控制端。比較電路323的輸出端同時耦接開關S1的控制端。相應地，當比較電路323的輸出為邏輯高時，開關S1導通，開關S2關斷，過流裝置23導通為電容Cm充電。當比較電路323的輸出為邏輯低時，開關S1關斷，開關S2導通，電容Cm為電容Cbs充電，電容Cm放電。
繼續第6圖的說明，比較電路323可以為滯環比較電路。閾值電壓Von和比較電路323的滯後值決定過流裝置23在整流後線電壓到達哪個電位時導通，從而為電容Cm充電。電容Cm可在較低的整流後線電壓Vin下開始充電，因此，中間電壓Vm可以遠比線電壓的有效值低，使得後續的電壓變換器不需要採用電感和大電容。
第7圖示出了根據本發明一實施例的將交流電轉換成直流電的方法700示意圖。方法700包括在步驟701，將交流線電壓整流，獲得整流後線電壓。在步驟702，方法700包括將過流裝置耦接到整流後線電壓，並選擇當整流後線電壓小於一閾值電壓時導通過流裝置，同時由過流裝置對第一電容充電。選擇整流後線電壓範圍的目的在於選擇當整流後線電壓輻值遠小於一個週期內的整流後線電壓有效值時就開始導通過流裝置，使得中間電壓低於線電壓有效值。在一個實施例中，選擇整流後線電壓範圍通過將整流後線電壓與閾值電壓比較來實現，當整流後線電壓低於該閾值電壓時導通過流裝置。在步驟703，方法700包括通過第一電容向電壓變換器提供電源。即第一電容向電壓變換器提供輸入電壓。在步驟704，方法700包括電壓變換器的輸出為負載提供電源。其中過流裝置由驅動電路驅動。方法700可進一步包括將第二電容耦接在驅動過流裝置的驅動電路的第一電源端和第二電源端之間，其中當整流後線電壓高於閾值電壓時，第一電容為第二電容充電。當整流後線電壓低於閾值電壓時，第二電容兩端電壓被升高。
上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，並不用於限定本發明的範圍。對於公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本技術領域的普通技術人員所瞭解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改並不超出本發明的精神和保護範圍。
20．．．交流線電壓
21．．．整流電路
22．．．驅動電路
23．．．過流裝置
24．．．低壓差線性電壓變換器
200．．．離線電壓調節器示意圖
221、241．．．輸入端
231、232．．．端
233．．．控制端
212、222、242．．．輸出端
OUT．．．輸出節點
Vin．．．整流後線電壓
Vm．．．中間電壓
Claims (1)
1. 一種離線電壓調節器包括：
整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；
過流裝置，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接整流後線電壓；
比較電路，將整流後線電壓和閾值電壓進行比較並輸出比較信號；
驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接過流裝置的控制端；
第一電容，具有第一端和第二端，其中第一電容的第一端耦接過流裝置的第二端並提供中間電壓，第一電容的第二端耦接參考地；
第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；以及
電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接中間電壓，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。
2. 如申請專利範圍第1項所述的離線電壓調節器，進一步包括：
第一開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接第一電容的第一端，其中第一開關在整流後線電壓低於閾值電壓時導通，第一開關在整流後線電壓高於閾值電壓時關斷；以及
第二開關，一端耦接第二電容的第二端，另一端耦接參考地，第二開關在整流後線電壓高於閾值電壓時導通，第二開關在整流後線電壓低於閾值電壓時關斷。
3. 如申請專利範圍第1項所述的離線電壓調節器，其中過流裝置包括雙極結晶體管（BJT）。
4. 如申請專利範圍第1項所述的離線電壓調節器，其中電壓變換器包括低壓差線性電壓變換器，低壓差線性電壓變換器包括電晶體、輸出電容和驅動控制電路，其中：
電晶體具有第一端、第二端和柵極端，其中電晶體的第一端耦接中間電壓，電晶體的第二端耦接輸出電容用於提供輸出電壓；以及
驅動控制電路包括電壓檢測電路和放大電路，其中電壓檢測電路用於產生輸出電壓檢測信號，放大電路具有耦接輸出電壓檢測信號的反相輸入端、耦接第二閾值電壓的同相輸入端和耦接電晶體柵極端的輸出端。
5. 如申請專利範圍第1項所述的離線電壓調節器，進一步包括：
欠壓保護（UVLO）比較電路用於將中間電壓與第三閾值電壓比較並產生UVLO信號；以及
啟動開關，具有第一端、第二端和控制端，其中啟動開關的第一端耦接整流後線電壓，啟動開關的第二端耦接中間電壓，啟動開關的控制端耦接UVLO信號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的離線電壓調節器，其中當中間電壓低於第三閾值電壓時，第一電容通過啟動開關充電。
7. 如申請專利範圍第1項所述的離線電壓調節器，進一步包括：
過壓保護比較電路，具有同相輸入端、反相輸入端和輸出端，其中反相輸入端耦接中間電壓，同相輸入端耦接第四閾值電壓；以及
及閘，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中及閘的第一輸入端耦接比較信號，及閘的第二輸入端耦接過壓保護比較電路的輸出端，及閘的輸出端耦接驅動電路的輸入端。
8. 一種離線電壓調節器，包括：
整流電路，用於將交流線電壓整流並輸出整流後線電壓；
BJT裝置，具有第一端、第二端和基極端，其中第一端耦接整流後線電壓；
選擇驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中輸入端耦接整流後線電壓，輸出端耦接BJT裝置的基極端，選擇驅動電路至少基於整流後線電壓選擇性地導通BJT裝置；以及
電壓變換器，具有輸入端和輸出端，其中電壓變換器的輸入端耦接BJT裝置的第二端，電壓變換器的輸出端提供直流輸出電壓用於為負載供電。
9. 如申請專利範圍第8項所述的離線電壓調節器，其中BJT裝置包括NPN電晶體，其中BJT裝置的第一端為集電極，BJT裝置的第二端為射電極。
10. 如申請專利範圍第8項所述的離線電壓調節器，進一步包括耦接在BJT裝置第二端和參考地之間的第一電容，其中選擇驅動電路進一步包括：
比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端耦接整流後線電壓，比較電路的第二輸入端耦接閾值電壓；
驅動電路，具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接BJT裝置的基極端；以及
第二電容，具有第一端和第二端，其中第二電容的第一端耦接驅動電路的第一電源端，第二電容的第二端耦接驅動電路的第二電源端；
其中當BJT裝置關斷時，第一電容為第二電容充電。
11. 如申請專利範圍第10項所示的離線電壓調節器，其中選擇驅動電路進一步包括：
第一開關，耦接在驅動電路的第二電源端和BJT裝置的第二端之間；以及
第二開關，耦接在驅動電路的第二電源端和參考地之間；其中
當BJT裝置導通時，第一電容被充電，第一開關導通，第二開關關斷；以及
當BJT裝置關斷時，第一開關關斷，第二開關導通，第一電容為第二電容充電。
12. 如申請專利範圍第11項所示的離線電壓調節器，其中：
選擇驅動電路進一步包括反閘，反閘具有輸入端和輸出端，其中反閘的輸入端耦接比較電路的輸出端，反閘的輸出端耦接第二開關的控制端；以及
比較電路的輸出端進一步耦接第一開關的控制端。
13. 一種電路，包括比較電路和驅動電路，電路具有電源輸入端、輸出驅動端、中間電壓端、第一自舉端和第二自舉端，其中：
電源輸入端耦接整流後線電壓和過流裝置的第一端；
輸出驅動端耦接過流裝置的控制端；
中間電壓端耦接過流裝置的第二端和第一電容，中間電壓端用於提供中間電壓；
第一自舉端耦接第二電容的第一端；
第二自舉端耦接第二電容的第二端；
比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接電源輸入端，第二輸入端耦接閾值電壓，輸出端提供比較信號；
驅動電路具有輸入端、輸出端、第一電源端和第二電源端，其中驅動電路的輸入端耦接比較信號，驅動電路的輸出端耦接輸出驅動端，第一電源端耦接第一自舉端，第二電源端耦接第二自舉端；
其中當比較信號為第一狀態時，過流裝置導通，第一電容充電，第二電容放電；以及
當比較信號為不同於第一狀態的第二狀態時，過流裝置關斷，第一電容為第二電容充電。
14. 如申請專利範圍第13項所述的電路，進一步包括：
第一開關，耦接在第二自舉端和中間電壓端之間，第一開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第一狀態時，第一開關導通，當比較信號為第二狀態時，第一開關關斷；以及
第二開關，耦接在第二自舉端和參考地之間，第二開關根據比較信號選擇性地導通和關斷，其中當比較信號為第二狀態時，第二開關導通，當比較信號為第一狀態時，第二開關關斷。
15. 一種將交流電壓轉換成直流電壓的方法，包括：
將交流電壓整流獲得整流後線電壓；
將過流裝置耦接到整流後線電壓，在整流後線電壓小於一閾值電壓時導通過流裝置，由過流裝置對第一電容充電；
通過第一電容向電壓變換器提供電源；以及
電壓變換器的輸出為負載提供電源。
16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，進一步包括將第二電容耦接在驅動電路的第一電源端和第二電源端之間，其中
當整流後線電壓高於閾值電壓時，第一電容為第二電容充電；
當整流後線電壓低於閾值電壓時，第二電容放電且第二電容兩端電壓升高。
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